基于数据挖掘的燃气管道风险评估模型的优化

基 于数 据 挖 掘 的 燃 气 管道 风 险 评 估 模 型 的 优 化 郑 飞 1 1 3 基于数据挖掘的燃气管道风险评估模型的优化 郑 飞(同济大学上海 2 0 1 8 0 4)摘要通过燃气管道风险评估可 以增 强燃 气公 司对燃气 管道安 全情 况 的了解，降低整 个管 网的运 行 风险，有效地节约管理维护成本，文 中引入并修 改了的 国外 比较 成熟 的燃气 管道 风险评估 模 型，为 上海 市北燃气 管道风险评估系统的开发奠定 了坚 实的基础，而运 用数据 挖掘 技术则 解决 了该模 型系 统参数设定 中的问题，使得评估模 型更加 贴近上海市北燃气管 网的实 际情 况。关键词 风险评估 模型；数据挖掘；关联分析；分 类分析 中图分类号：T P 1 8 2 文献标志码-A 城市燃气管道是城市燃气 系统 的输配部分，是 城市建 设 的重 要 基 础 设 施 之 一。2 0 0 0年 全 国 城市煤气供应总量已经达到 1 5 2 亿 m。，城市燃气 管道总长度 已经超过 8 9 4 7 3 k m_】。城市是人 口 集中、建筑密集的地区，一旦城市燃气管道发生泄 漏或爆炸都将造成惨重的人员伤亡和巨大的财产 损 失。由于管道 所处 环境 复杂 多变 且长 度不 断增 加，常规 的预防措施 已经难 以确保 燃气管道 的长 期安全运行。因此，借鉴 国外先进 的管道风险评 估 经验，采取 更 为科 学 的管 理 技术 加 强城 市 燃 气 管道的监控与管理 已成为保障现代城市安全的当 务 之急。1 上海市北燃气公司燃气管道风险 评估辅助决策系统 上海城市燃气发展已有 1 4 0多年历史，上海 燃 气市 北销 售有 限 公 司 目前 拥 有 地 下管 线 5 2 8 0 k m，现 在仍 然 以 每 年 3 0 0 k m 的 速 度 增 加。其 中 管 材、管 龄、压力、接 口形式 和气 质等 因素 的差 异，导致上海燃气市北销售有限公司现行 的“2+1”管 网人 工巡 查方 式 已 不 能完 全 胜 任，必 须 要 有 一 套 更为优 化 的方案，才 能适 应公 司发 展 的需要，同时 将燃气管道运行风险降到最低。上海市北燃气公司根据 自身发展 的需要，一 方面为了防止燃气管道发生泄漏或断裂将有可能 引发火灾、爆炸及 中毒事故，使生产和经济遭受严 重破坏，生命和财产蒙受重大损失；另一方面，为 了增加企业的核心竞争力，须保证压力管道必须 长周期运行，且维护和检验成本最小化。为 了兼 收稿 日期：2 0 0 8 一 l o 一 2 4 顾燃气管道的安全性和经济性，上海市北燃气公 司希望建立燃气管道风险评估 系统，以期 通过风 险评估，在 日常巡视 中突出工作重点，提高漏气 自 查率，使巡视更加贴近实际需求，从 日常管理上由 被动应付转变为事先预 防，使各类潜在 的风险降 低在 受 控制状 态 中，最终 的 目的是 为 了提 高 企 业 的经济效益和社会效益，降低各类燃气事故的发 生率。对上海市北燃气公 司的需求作 了详细的分析 后，并 根据 现 有 条 件，我 们 提 出 建 立 基 于 G I S的 燃气管道风险评估辅助决策系统。该系统以地理 信息系统为基础，其核心部分是燃气管道风 险评 估 模型。2 燃气管道风险评估模型 虽然国外已经有较为成熟的风险评估模 型，但是适合我国国情 的评估模型仍然没有确立。就 目前我国燃气风险评估的发展情况而言，短时间 内建立 自己的风险评估模型存 在非常大的难度。考虑到国内外燃气管道就其属性和功能等的相似 性，我们移植国外 的风险评估模 型作 为系统开发 的基础，并 根据 上 海 市 北 燃 气 公 司 的运 营管 理 现 状 对该 模型 进行 了调 整。图 1 所示的就是最终确定的风险评估模 型，其 中：相对风险评估分值 一(初始分值)(1 一事故 严重性调 整 泄漏记 录调整)一(外 力损害 因 素)+(腐蚀因素)+(设 计因素)+(人 为因素)(1 一卢 )其 中，4大因素包含管线所有属性，每种属性 不 同状态对应不 同分值，4大 因素所 有属性评分 1 1 4 交通与计算机2 0 0 8年第 6 期第 2 6卷总 1 4 5期 相加得到管线所得初始分值。经过事故严重性和 泄漏记录 2次调整，最终得到相对风险评估分值。根据相对风险评估分值所处 区间，将管线状态分 为 4种：安 全、比较 安全、比较 危 险和危 险。就 我 国 目前 的 现状 来 看，有 一 些 容 易 引发 危 险 的动态 因素 是无 法 避 免 的。例 如：由于 开挖 造 成 的燃气 泄 漏 也屡 见 报 端。为 了防 患 未然，在 燃 气管道风险评估模型中，添加 了“动态管理”模块。处 于动态 管理 的原 因包 括：施 工 与大型 活动、管道 发生 泄 漏 事 故、穿窨 井、非 法 建筑 物、管 道 基本 参 数(年限的变化)。处于动态管理中的管线需要重 点关注。最终确定的风险评估模型见图 1 所示。l 从记录及操作 人I I员处搜集数据l I I I 匦 事故 严 重性 调整 系 数 泄 漏 记录 调整 系数 1 外力损 害因 素卜 一 l 相对风险 评估分值I 图 1最 终 确 定 的 风 险 评估 模 型 3 基于数据挖掘 的风 险评估 模 型 中 的优化及 应用 燃气管道风险评估模型确定之后，状态 阈值 设置 是否 合理 直接 决定评 估结 果 的准确 程度。除 此之外，管线属性的评分合理性对评估结果 的影 响 同样不 能忽 视。燃气管道风险评估模型参数最初的设定依据 主要来 自以下 3个方 面：1)参照 国际 上先进 国家的标 准。2)参照 国 内同行 的经验。3)召开专家咨询会议，听取专家和管道运行 第一线管理人员等的意见和建议。由于我国燃气管道的标准和发展状况和国际 上先进国家有一定差距，照搬照抄 国外的标准是 肯定行不通的。而国内目前燃气管道风险评估成 功范例较少，而且因为没有形成严格 的标准，即使 在同一城市，管线也是五花八门。燃气公 司专家 的意见更是根据 自己对燃气行业的了解所得到的 经验，并且专家也只是知道管线的哪条属性对管 线的安全状况影 响较大，而不能确定该属性究竟 应该赋予多高分值才更为合适。因此，初期所采用 的评估参数 确定原则存在 一定 的不 足。通过这 种原 则得 到 的这些 数据 只能 是对系统参数作大概范围内的界定。如果要确定 相对精准的参数，必须是用另外的技术手段。在该项 目中，我们 采用数据挖掘的方法来进 一步确定评估模型的参数。采用数据挖掘有两方 面原 因：一方 面：从 开挖 样塘 情况 来看，目前 上海 市北 燃气公 司完全有能力对原有管线属性进行采集；而且 就现有 的泄漏 纪 录，虽 然 管 线 属性 相 较 风 险 评 估 管线属 性 还不 是 很 完 善，但 在 按 照 一定 规 则 进行数据清洗后，符合进行数据挖掘的条件。另一方 面：由 于燃 气 管 道 检测 手 段 的成 熟 和 多样化，就为管道风险评估结果和燃气管线实际 情 况 的 比对 成 为 可 能。只 要 在 专 业 分 析 的 基 础 上，进行 数 据挖 掘后 所 设 定 的参 数 和之 前 设 定 参 数 的准 确性 对 比，运 用 统 计 计 算 就 可 以 给 出较 为 客 观 和精确 的评 估。因此，我 们 提 出 的在 管 道 风 险评估模 型 的基 础上进 行数 据挖 掘 的方法 是完 全 可行 的。现在所能得到的数据主要来 自两方面：其一，煤气公司有挖掘潜在价值的管道泄漏记录，这些 记 录 只 有 2 0 0 0年 1月 到 2 0 0 6年 3月 间 共 计 5 0 7 1 条。其二，已有 1 1 0 6张 图幅 中所有 管 线 的 信息。针对上述情况，新建数 据表 D a t a Mi n i n g，用 来 录入管 道泄 漏记 录。然后 再从 原有 数据表 中 取 出等级 为 安 全 的所 有 管 线 中，分 值 靠 前 的 7 O ，加 入 到 D a t a Mi n i n g 表 中。这 里 数 据 取 7 0 的 目的，主要 是 为 了确 保 这些 管 线 的安 全 等 级更高。经数据清洗后，得到了具有 2种属性的 训练集：安全纪录和泄露纪录。针对该训练集，通过决策树 和经典 贝叶斯算 法 进行 数据 挖掘，得 到边界 规则，用来 调 整状态 阈 值；同时对训 练集 进行 关联 分析，得 到一些 相关 属 性，然 后对 这些关 联 属性再 次 进行 聚类分 析，希 望 能够得 到一 些提 示规 则。数据 挖掘模 块 系统 流程 如 图 2所示。通过该模型的挖掘，对安全阈值和 危险阈值分别进行了调整。同样，采用先关联分析再分类分析 的方法进 行数据挖掘，发现一些有上海市北 特色的危险属 性 和安 全属 性。结果 如表 2所 列。表 2中列 出 了相 关 属性，以及 这些 相 关 属 性 的分类结果。这些结果也得到了燃气公司专家的 肯定。有这些结果作参照，燃气 公司就能在今后 基 于数据挖掘 的燃 气管道 风险评 估模型的优化 郑 飞 1 1 5 图 2 数 据挖掘模块系统流程 表 1数据挖掘对安全和危 险区边界 间的调整 安全因素 危险因素 钢 管、阴极保护 灰 口铸铁管、承插接 口 钢管、焊接接 口、阴极保护 灰 口铸铁管、流沙土质 塑料管、人 工煤气 承插接 口、流沙土质 钢管、人工煤气、包裹层优 良 钢管、人工煤气。钢管、管地点 与测试庄 街坊、埋深 5 0 6 m、流沙土 相隔不超过 3 5 0 t e l 质 做管 网铺设 计划 时进 行 相 应 的 调 整，避 免 相关 危 险 因素，尽 量使 用相关 的 安全 因素，以期 降低 燃气 管网运行风险的工作真正做到预防为主。4 数据挖 掘效果及分析 随着我国燃气事业 的不断发展，燃气管道检 测手段 日渐成熟，检测方式不断丰富，就为管道风 险评估结果和燃气管线实际情况的比对提供了可 靠 的技术 支持。为 了证 明数据 挖 掘进行 系 统参数 调整的合理性，我们对一些管线进行 了抽检。调 整结果则通过概率统计 的方法加以证明。系统参数调整成功与否，关键取决 于在危 险 和安全变动 区间 内，管线实际所处状态。在燃气 公司技术人员 的帮助下，从 风险评估得分为 2 3 0 2 5 O的 管 线 中抽 检 了 1 0 3 6 5 6 m，检 测 结 果 表 明，其 中 8 8 1 1 9 m 管 线 存 在 不 同程 度 的 问 题，依 据燃气公司的检验标准这些管线不能归为安全管 线，占抽检总长度的 8 5 。由于评估得分在 1 8 0 2 O O 之间的管线较少，抽检 了处于该 区间的大 部分管线，管线长度共计 5 8 3 1 9 m，其中 4 2 5 7 9 m 的安全状况不应该归为危险，占抽检总长度 的 7 3 。由此可见，根据数 据挖掘的结果所进行 的安 全和危险边界参数的调 整更趋近于实 际情况，系 统参数的调整是成功的。这样，图 3所示的数据 挖掘模型在一定程度上解决 了国外风险评估模型 移植后，参数设定上存在的问题，间接的解决了我 国没有相对成功的风 险评估模 型的问题。90 00 0 80 00 0 70 00 0 要 6 0 0 0 0 越 5 0 0 0 0 40 00 0 30 0 00 妞 2 0 0 0 0 1 0 0 00 O 安 全抽 检 瑚)危 险抽 裣(m)图 3 调 整成 功失败对 比 5 结束语 通过对该课题 的研究和尝试，在我 国燃气管 道风险评估领域 内主要取得了两方面的进展：一方面，就其实际价值而言：数据挖掘技术的 运用，使得燃气管道风险评估辅助决策 系统的参 数设置更加客观合理，对管线的评估结果基本上 符合实际情况，风险评估 系统真正起到 了辅助决 策 的功 能。另一方面，就其理论价值而言：真实可靠 的原 始数据不足，一直是 困扰我 国燃气管道风险评估 发展的一个重要原 因。泄漏纪录和风险评估管线 属性纪录相结合，组成训练集的做法，某种程度上 解决了原始数据不足的问题，也给这类 问题 的解 决提供 了一种 参考 方法。参 考文 献 E l i w Ke n t Mu h l b a u e r 著，杨 嘉瑜，译 管 道风 险 管理 手册：2版E M 北 京：中国石 化出版社，2 0 0 5 E 2 郭 红芳，曾 向阳风 险分 析 方法 E J 计算 机 工 程，20 01(3)：131 1 32 E 3 杨 印臣，陈秋 雄 城市 燃气 管道 风险评 估现 状及 改 进 E J 天然气与石油2 0 0 6，2 4(4)：3 2 3 6 E 4 韩张 市场预测 与决 策 中马 尔可夫 决策 E J 吉林 师 范大学学 报，2 0 0 6(I)：5 2 5 5 E 5 董玉华，余大 涛，高 惠临，等油 气管道 的故 障树 分 析E J 油 气储运，2 0 0 2，2 9(6)：1 5-l 7 E 6 李志鹏，李 艳 红，胡 国新，等 燃 气管 道 的风 险评估 方法E J 煤气 与热力，2 0 0 4，2 4(4)：2 2 1 2 3 1 E 7 秦炳军，张圣 坤 动态过程 风险评估方法E J 上海交 通大学学报，1 9 9 8(1 1)：1 7-2 1 (下 转 第 l l 9页)空中交通流线性二 次型最优控 制 刘 强 白存儒林键 等 1 1 9 供了新 的手段，为未来 飞行调度提供参考依据。1 2 3 3 4 5 参考 文献 戴 军空 中交通管制 服务 与航 班延误 J 中国 民 用航 空，2 0 0 4(8)：2 6 2 8 戴世强，冯苏 苇，顾 国庆交通 流动 力 学：它 的 内 容、方法和意义 J 自然杂 志，1 9 9 7(1 1)：1 9 6 2 0 1 Ligh t h i l l M H，W h i t h a m G B，On k i n e ma t i c s wa v e：l I A t h e o r y o f t r a f f i c f l o w o n l o n g c r o we d r o a d s C L o n d o n：P r o c R S o c，S e r A，1 9 5 5 Ri c h a r d s P I S h o c k wa v e s o n t h e h i g h wa y c Op ns Re s，1 95 6 M e n o n P K，S we r i d u k G D，Bi l i mo r i a K D，e t a 1 A n e w a pp r o a c h f or mode l i ng，an a l y s i s a n d c ont r o l o f a i r t r a f f i c fl o w e 1 AI A A G u i d a n c e，Na v i g a t i o n，a n d Co n t r o l Co n f e r e n c e a n d Ex h i b i t 2 0 0 2 6 Me n o n P K，S w e r i d u k G D，L a in T，e t a 1 C o rn一 7 I-8 9 put e r a i de d e ul e r i a n a i r t r a f f i c f l ow mo de l i ng a n d p r e d i c t i v e c o n t r o l J J o u r n a l o f G u i d a n c e，C o n t r o l，a n d Dy n a mi c s，2 0 0 6，2 9(1)：1 2-1 8 龚德恩 离散控 制 系统理 论 引论 M 北 京：中国 铁道 出版社，2 0 0 4 O g a t a，K 离 散 时间控 制 系统 M 2版 陈 杰，译 北京：机械工业 出版社，2 0 0 6 Sa r a f A P，Sl a t e r G L Combi ne d e ul e r i a n l a gr a ng i a n t wo l e v el c o nt r ol s y s t e m f or op t i ma l ai r t r a f f i c f l o w ma n a g e me n t c AI AA Gu i d a n c e，N a v i g a t i o n，a nd Cont r ol Co nf e r e nc e an d Ex hi b i t。2 006 Li n e a r q u a dr a t i c Opt i ma l Co n t r o l o f Ai r Tr a f f i c Fl o w LI U Qi a n g BAI C u n r u LI N J i a n CHEN L i n g q i n g (No r t hwe s t e r n Po l yt e c hni c al Uni v e r s i t y，X i a n 7 1 0 07 2，Ch i n a)Ab s t r a c t：Ac c o r d i n g t o t h e i n c r e a s i n g d e ma n d o f a i r t r a f f i c f l o w，a mo d i f i e d l D c e l l t r a n s mi s s i o n mo d e l wa s i n t r o d u e e s b y c o mb i n i n g mo d i f i e d t r a f f i c f l o w LW R t h e o r y a n d c e l l mo d e l t h e o r y L i n e a r q u a d r a t i c o p t i ma l c o n t r o l t e c h n i q u e o f d i s c r e t e c on t r o l s y s t e m wa s a p pl i e d t o a na l y z i ng a n d i nv e s t i ga t i n g t h e mo de 1The f l o w p r e d i c t i on i n s pe c i a l a r e a wa s r e a l i z e d The mo de l wa s s i m u l at e d b y M a t l a b The c o nt r ol s e que nc e s of di f f e r e nt f l ow pr o po r t i on a l i t y f a ct or wi t h f e e db a c k ga i n we r e c omp a r e d Thr ou gh c omp a r i ng s a mpl e d a t a，t he r e s u l t r e ve al s t ha t a i r t r a f f i c f l ow i n t he a i r s pa c e u ni t ha s b e e n i mpr ov e d Ke y wo r ds：a i r t r a f f i c f l o w ma n a g e me n t；Eu l e r i a n a p p r o a c h；l i n e a r-q u a d r a t i c；o p t i ma l c o n t r o l (上接 第 1 1 5页)1。I-I l l J I I1 Opt i mi z a t i o n o f Ga s Pi pe l i n e Ha z a r d Ev a l u a t i o n M o d e l Ba s e d o n Da t a M i ni ng ZHENG Fe i (T o n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a)Abs t r a c t：Ga s p i p e l i n e h a z a r d e v a l u a t i o n c a n h e l p t h e g a s c o mp a n y t o ma s t e r t h e s i t u a t i o n o f t h e g a s p i p e l i n e n e t，l o we r t he ha z ar d，a nd e n ha nc e t he de t e c t i ng a n d m a n a gi ng e f f i c i e nc yI n t hi s pa pe r。a mode l of ga s pi p e l i ne ha z a r d e v a l u a t i on，whi c h i s ma t ur e i n f or e i gn c o unt r i e s，wa s i nt r o du c e d a nd mo di f i e dTh i s p r o v i d e s a s o l i d f o u n d a t i o n f o r S h a n g h a i No r t h Ga s Pi p e l i ne Ne t Da t a mi ni ng t e c h nol o gy wa s us e d t o s o l v e t he pr ob l e m o f mod e l p ar a me t e r swhi c h ma de t h e e v a l u a t i o n mo d e I mo r e f e a s i b l e Ke y wo r d s：h a z a r d e v a l u a t i o n mo d e l；d a t a mi n i n g；a s s o c i a t i o n s a n a l y s i s；c l a s s i f i e r s a n a l y s i s